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1、数控加工技术数控加工技术CAI课件课件数控加工技术精品课程组数控加工技术精品课程组第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术第一节第一节 加工中心简介加工中心简介 加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的510倍，特别是对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。一、加工中心的分类与结构特点一、加工中心的分类与结构特点 1按机床形态分类 （1）立式加工中心，如图如图5-1所示。所示。立式加工中心装夹工件方便,便于操作,易于观察加工情况,调试
2、程序容易,应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制,不能加工太高的零件；在加工型腔或下凹的型面时切屑不易排除,严重时会损坏刀具,破坏已加工表面,影响加工的顺利进行；立式加工中心的结构简单,占地面积小,价格相对较低。故它最适宜加工高度方向尺寸相对较小的工件。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 加工中心的换刀方式一般有两种：通过机械手换刀和通过刀库换刀。如图如图5-2、3所示所示。（2）卧式加工中心 其主轴中心线为水平状态设置，如图如图5-4所示所示。卧式加工中心在调试程序及试切时不宜观察，加工时不便监视，零件装夹和测量不方便；与立式加工中心相比较，卧式加工中心的结构复杂，占
3、地面积大，价格也较高；但加工时排屑容易，对加工有利。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术（3）龙门加工中心，如图如图5-5所示所示。（4）五面加工中心，如图如图5-6所示所示。2、按运动坐标数和同时控制的坐标数分类 加工中心可分为三轴二联动，三轴三联动，四轴三联动，五轴四联动，六轴五联动等。3、按工作台数量和功能分类 加工中心可分为单工作台加工中心、双工作台加工中心和多工作台加工中心。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 综上所述，加工中心主要有以下特点：（1）加工中心在数控铣床或数控镗床或数控钻床的基础上增加了自动换刀装置，使工件在一次装夹后，可以
4、连续完成对工件表面自动进行铣削、镗削、钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹等多工步的加工，工序高度集中。（2）加工中心如果带有自动分度回转工作台或能自动摆角的主轴箱，可使工件在一次装夹后，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。（3）加工中心如果带有自动交换工作台，一个工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，大大缩短了辅助时间，提高了生产率。二、加工中心的主要功能二、加工中心的主要功能 加工中心是一种功能比较齐全的数控机床，具有多种工艺手段。加工中心的刀库存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序控制自动选用和更换。这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。
5、返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 三、加工中心的主要加工对象三、加工中心的主要加工对象 加工中心适用于复杂、工序多、精度要求较高、需用多种类型普通机床和繁多刀具、工装，经过多次装夹和调整才能完成加工的零件。其主要加工对象有以下四类：1箱体类零件。如图5-7所示。2复杂曲面。3异形件。如图5-8所示。4盘、套、板类零件。如图5-9所示。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术第二节第二节 加工中心的加工工艺与工装加工中心的加工工艺与工装 加工中心是在数控铣床的机床上发展起来的，因此其加工工艺仍然是以数控铣削加工为基础，但又不同于数控铣床。一、加工中心的
6、工艺特点一、加工中心的工艺特点 有如下工艺特点：（1）可减少工件的装夹次数，消除因多次装夹带来的定位误差，提高加工精度。（2）可减少机床数量，并相应减少操作工人，节省占用的车间面积。（3）可减少周转次数和运输工作量，缩短生产周期。（4）在制品数量少，简化生产调度和管理。（5）使用各种刀具进行多工序集中加工，在进行工艺设计时要处理好刀具在换刀及加工时与工件、夹具甚至机床相关部位的干涉问题。（6）若在加工中心上连续进行粗加工和精加工，夹具既要能适应粗加工时切削力大、高刚度、夹紧力大的要求，又须适应返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术精加工时定位精度高，零件夹紧变形尽可能小的要
7、求。（7）由于采用自动换刀和自动回转工作台进行多工位加工，决定了卧式加工中心只能进行悬臂加工。（8）多工序的集中加工，要及时处理切屑。（9）在将毛坯加工为成品的过程中，零件不能进行时效，内应力难以消除。（10）技术复杂，对使用、维修、管理要求较高。（11）加工中心一次性投资大，还需配置其他辅助装置，如刀具预调设备、数控工具系统或三坐标测量机等，机床的加工工时费用高，如果零件选择不当，会增加加工成本。二、加工中心的工艺路线设计二、加工中心的工艺路线设计 设计加工中心加工零件的工艺路线时，本着经济合理的原则，安排加工中心的加工顺序，以期最大程度的发挥加工中心的作用。在目前国内很多企业中，由于多种原
8、因，加工中心仅被当作数控铣床使用，且多为单机作业，远远没有发挥出加工中心的优势。单台加工中心或多台加工中心构成的FMC或FMS，在工艺设计上有较大的差别。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 1单台加工中心 其工艺设计与数控铣床的相类似，主要注意以下方面：（1）安排加工顺序时，要根据工件的毛坯种类，现有加工中心机床的种类、构成和应用习惯，确定零件是否要进行加工中心工序前的预加工以及后续加工。（2）要照顾各个方向的尺寸,留给加工中心的余量要充分且均匀。（3）最好在加工中心上一次定位装夹中完成预加工面在内的所有内容。（4）加工质量要求较高的零件,应尽量将粗、精加工分开进行。（
9、5）在具有良好冷却系统的加工中心上，可在加工中心上一次或两次装夹完成全部粗、精加工工序。一般情况下，箱体零件加工可参考的加工方案为：铣大平面粗镗孔半精镗孔立铣刀加工打中心孔钻孔、铰孔攻螺纹精镗、精铣等。2多台加工中心构成的FMC或FMS 当加工中心处在FMC或FMS中时，其工艺设计应着重考虑每台返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术加工设备的加工负荷，生产节拍，加工要求的保证以及工件的流动路线等问题，并协调好刀具的使用，充分利用固定循环、宏指令和子程序等简化程序的编制。对于各加工中心的工艺安排，一般通过FMC或FMS中的工艺决策模块（工艺调度）来完成。三、加工中心的工步设计
10、三、加工中心的工步设计 设计加工中心机床的加工工艺实际就是设计各表面的加工工步。在设计加工中心工步时，主要从精度和效率两方面考虑。主要有以下方面。（1）同一加工表面按粗加工、半精加工、精加工次序完成，或全部加工表面按先粗加工，然后半精加工、精加工分开进行。（2）对于既要铣面又要镗孔的零件，如各种发动机箱体，可以先铣面后镗孔。（3）相同工位集中加工，应尽量按就近位置加工，以缩短刀具移动距离，减少空运行时间。（4）按所用刀具划分工步。（5）当加工工件批量较大而工序又不太长时，可在工作台上一次装夹多个工件同时加工，以减少换刀次数。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 （6）考虑
11、到加工中存在着重复定位误差，对于同轴度要求很高的孔系，就不能采取原则（4），应该在一次定位后，通过顺序连续换刀，顺序连续加工完该同轴孔系的全部孔后，再加工其它坐标位置孔，以提高孔系同轴度。（7）在一次定位装夹中，尽可能完成所有能够加工的表面。四、工件的定位与装夹四、工件的定位与装夹 （一）加工中心定位基准的选择（一）加工中心定位基准的选择 加工中心定位基准的选择，主要有以下方面：（1）尽量选择零件上的设计基准作为定位基准。（2）一次装夹就能够完成全部关键精度部位的加工。（3）当在加工中心上既加工基准又完成各工位的加工时，其定位基准的选择需考虑完成尽可能多的加工内容。（4）当零件的定位基准与设计
12、基准难以重合时，应认真分析装配图纸，确定该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的公差范围，确保加工精度。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 （二）（二）加工中心夹具的选择和使用加工中心夹具的选择和使用 加工中心夹具的选择和使用，主要有以下方面：（1）根据加工中心机床特点和加工需要，目前常用的夹具类型有专用夹具、组合夹具、可调夹具、成组夹具以及工件统一基准定位装夹系统。（2）加工中心的高柔性要求其夹具比普通机床结构更紧凑、简单，夹紧动作更迅速、准确，尽量减少辅助时间，操作更方便、省力、安全，而且要保证足够的刚性，能灵活多变。因此常采用气动
13、、液压夹紧装置。（3）为保持工件在本次定位装夹中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要尽量开敞，夹紧元件的空间位置能低则低，必须给刀具运动轨迹留有空间。（4）考虑机床主轴与工作台面之间的最小距离和刀具的装夹长度，夹具在机床工作台上的安装位置应确保在主轴的行程范围内能使工件的加工内容全部完成。（5）自动换刀和交换工作台时不能与夹具或工件发生干涉。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 （6）有些时候,夹具上的定位块是安装工件时使用的，在加工过程中,为满足前后左右各个工位的加工,防止干涉,工件夹紧后即可拆去。对此,要考虑拆除定位元件后,工件定位精度的保持问题。（7）尽量不要
14、在加工中途更换夹紧点。（三）确定零件在机床工作台上的最佳位置（三）确定零件在机床工作台上的最佳位置 在卧式加工中心上加工零件时,工作台要带着工件旋转,进行多工位加工,就要考虑零件（包括夹具）在机床工作台上的最佳位置。五、加工中心刀具的选用五、加工中心刀具的选用刀具由刃具和刀柄两部分组成。1对刀具的要求 2刀具的种类 加工中心加工内容的多样性决定了所使用刀具的种类很多，除铣刀以外，加工中心使用比较多的是孔加工刀具，如图5-10所示。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 3.刀柄 可分为整体式与模块式刀柄两类,如图5-11、5-12所示。下面介绍常用的几种。（1）ER弹簧夹头
15、刀柄,如图5-13,5-14所示。（2）强力夹头刀柄,如图5-15（3）莫氏锥度刀柄,如图5-16返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术（4）侧固式刀柄 如图5-17（5）面铣刀刀柄 如图5-18（6）钻夹头刀柄 如图5-19（7）丝锥夹头刀柄 如图5-20（8）镗刀刀柄 如图5-21（9）增速刀柄 如图5-22（10）中心冷却刀柄 如图5-23返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术（11）转角刀柄 如图5-24（12）多轴刀柄 如图5-25 4刀具预调 刀具预调的目的是在工艺设计后根据加工要求,确定各工序所使用的刀具在刀柄上装夹好后的轴向尺寸和径向尺寸
16、,并填写在工艺文件中,供加工时使用。刀具预调一般使用机外对刀仪,如图5-26。六、换刀点六、换刀点 由于加工中心采用自动换刀,换刀点应根据机床的加工空间大小,工件的大小及在工作台上的装夹位置、被更换的刀具尺寸以及换刀动作的最大空间范围等进行合理选择。原则上是避免相关部件在换刀时产生干涉,同时使刀具在换刀前后运动的空行程最小。返回课件首页图4-26 光学式对刀仪第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术第三节第三节 加工中心的程序编制加工中心的程序编制 一、加工中心的编程要求一、加工中心的编程要求 加工中心的编程有如下要求：（1）首先应进行合理的工艺分析和工艺设计。（2）根据加工批量等情况，
17、确定采用自动换刀或手动换刀。（3）为提高机床利用率,尽量采用刀具机外预调,并将测量尺寸填写到刀具卡片中,以便操作者在运行程序前确定刀具补偿参数。（4）尽量把不同工序内容的程序,分别安排到不同的子程序中。（5）除换刀程序外,加工中心的编程方法与数控铣床基本相同。二、换刀程序的编制二、换刀程序的编制 不同的加工中心，其换刀程序是不同的，通常选刀和换刀分开进行。换刀完毕启动主轴后，方可执行后面的程序段。选刀可与机床加工重合起来，即利用切削时间进行选刀。多数加工中心都规定了换刀点位置。主轴只有运动到这个位置，机械手或刀库才能执行换刀动作。一般立式加工中心规定的换刀点位置在机床Z轴零点处，卧式加工中心规
18、定在机床Y轴零点处。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 编制换刀程序一般有两种方法：方法一：N10 G91 G28 Z0 T02 N11 M06 即一把刀具加工结束，主轴返回机床原点后准停，然后刀库旋转，将需要更换的刀具停在换刀位置，接着进行换刀，再开始加工。选刀和换刀先后进行，机床有一定的等待时间。方法二：N10 G01 XYZT02 N17 G91 G28 Z0 M06 N18 G01 XYZT03 这种方法的找刀时间和机床的切削时间重合,当主轴返回换刀点后立刻换刀,因此整个换刀过程所用的时间比第一种要短一些。在单机作业时,可以不考虑这两种换刀方法的区别,而在柔性生
19、产线上则有实际的作用。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 三、固定循环指令的编程方法三、固定循环指令的编程方法 这里主要介绍加工中心的固定循环指令的编程方法。加工中心配备的固定循环功能主要用于孔的加工，包括钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻丝等，有的加工中心还具有键槽、椭圆、方槽加工等固定循环。1固定循环的动作 孔加工固定循环通常由以下六个动作组成：如图如图5-27所示所示,图中用虚线表示快速进给,用实线表示切削进给。（1）初始平面 （2）R点平面 （3）孔底平面 孔加工循环与平面选择指令（G17、G18、G19）无关，即不管选择了哪个平面，孔加工都是在XY平面上定位并Z
20、在轴方向上钻孔。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 2固定循环的代码及格式 （1）数据形式，如图图图5-28所示。（2）返回点平面G98、G99 （3）固定循环指令的G代码FANUC 0M-C系统的固定循环功能如下。返回课件首页G代码孔加工动作（-Z方向）在孔底的动作刀具返回方式（Z方向）用 途G73间歇进给无快速高速往复排屑钻深孔G74切削进给暂停主轴正转切削进给攻左旋螺纹G76切削进给主轴定向停止刀具移动快速精镗孔G80无无无取消固定循环G81切削进给无快速钻孔G82切削进给暂停快速锪孔、镗阶梯孔G83间歇进给无快速往复排屑钻深孔G84切削进给暂停主轴反转切削进给攻
21、右旋螺纹G85切削进给无切削进给精镗孔G86切削进给主轴停止快速镗孔G87切削进给主轴停止快速反镗孔G88切削进给暂停主轴停止手动操作镗孔G89切削进给暂停切削进给精镗阶梯孔第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 （4）固定循环的格式G73G89 X Y Z R Q P F K 取消孔加工固定循环用G80。对于加工一般的孔,可以使用G81代码,刀具动作比较简单。在孔中心上方定位后,快速靠近工件表面,然后以切削进给速度加工孔，到达要求的深度时,主轴不停,快速退刀,停留的位置由G98、G99指定,如图图图5-29所示。当使用不同的刀具,就可以进行钻孔、扩孔、铰孔、锪孔等加工。G81的指令格
22、式为：G81 X Y Z R F 3固定循环编程实例 【例题5-1】如图5-30所示零件。对该零件编制加工程序的步骤如下：（1）为方便加工时对刀，设置编程坐标系如图中所示，取零件上表面为Z向零点。（2）计算孔中心坐标。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 （3）设计加工路线。（4）编写程序单。根据加工路线和坐标数据,选择G81指令编程如下。返回课件首页程 序 段说 明N1 G20设定米制单位N2 G0 G90 G54 X88.Y50.S300 M3刀具快速定位到孔1，主轴正转N3 G43 H1 Z50.M8建立刀具长度补偿，切削液开N4 G99 G81 Z-35.R5.F
23、50.钻孔1，返回到R5点N5 X79.109 Y74.425钻孔2，返回到R5点N6 X56.598 Y87.422钻孔3，返回到R5点N7 X31.Y82.909钻孔4，返回到R5点N8 X14.291 Y62.996钻孔5，返回到R5点N9 Y37.003钻孔6，返回到R5点N10 X31.Y17.091钻孔7，返回到R5点N11 X56.598 Y12.577钻孔8，返回到R5点N12 X79.109 Y25.574钻孔9，返回到R5点N13 G80 G0 G49 Z50.取消固定循环和刀具长度补偿，快速返回至初始平面Z50处N14 M5主轴停止N15 M9切削液关N16 M30程序结
24、束第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术第四节第四节 加工中心加工实例加工中心加工实例 【例题5-2】如图5-31所示,为座盒零件图,零件材料为LY12CZ。1工艺分析 2工艺路线设计 如图5-33所示。该零件的主要加工内容可安排在一台或两台加工中心上进行。可采取以下加工方案：（1）下料；（2）铣上下平面，保证厚度尺寸25；（3）打2-8工艺孔；（4）铣反面矩形槽，锐边倒圆；（5）铣正面矩形槽、外形，锐边倒圆，钻、铰8、10孔；（6）钳工去工艺凸台、毛刺；（7）检验。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 3加工中心加工的工序设计 在加工中心上加工内容为上述2中（4
25、）和（5）,即铣正反面矩形槽、外形,锐边倒圆及钻孔。为控制零件的加工变形,外形和矩形槽同时在厚度方向进行分层铣削，最后钻、铰孔。（1）以正面和8工艺孔定位装夹,铣反面外形、矩形槽、锐边倒圆，如图5-34所示。（2）以反面和8工艺孔定位装夹,铣正面外形、四处矩形槽,锐边倒圆,如图5-35所示。（3）钻、铰10和8的孔,如图5-36所示。（4）钳工去掉工艺凸台,并修锉毛刺,完成该零件的全部加工。返回课件首页第五章第五章 加工中心加工技术加工中心加工技术 4程序编制 （1）程序编制方法 为提高效率、保证程序的准确性，采用自动编程方法更恰当。（2）编程坐标系和对刀点 考虑零件在机床工作台上的安装位置，取长度方向为X坐标，宽度方向为Y坐标，厚度方向为Z坐标。由于采用工艺凸台和工艺孔定位装夹，为方便对刀操作，编程坐标系原点和对刀点设在同一点，即工件左侧工艺孔的中心，Z向零点设在夹具定位面上。返回课件首页